JPS61168941A - 半導体装置用基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体装置用基板に関するものであり、特に
、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱できると共に
、高い電気絶縁性を有する半導体素子搭載用の半導体装
置用基板に関するものである。換言するならば、本発明
は、半導体パッケージやマルチチップボードなどの回路
基板の構成部材として、広く適用できる半導体装置用基
板に関するものである。

従来の技術 半導体装置、これらを利用する装置、機器では、半導体
素子、抵抗器類、コイル類等における発熱のために複雑
な熱系を構成するが、このような熱は各種熱伝導様式、
例えば熱伝導、熱輻射、対流等により装置外に放出され
ることになる。

一般に、半導体素子には特性上並びに信頼性の点から最
大限許される温度（最高許容温度）があり、また、雑音
余裕の点からも素子内あるいは素子相互間の温度差にも
許容範囲が存在する。

従って、これら素子等を安定かつ信頼性よく動作させる
べく、最良の熱設計を行うことは、半導体装置等の設計
、製作において極めて重要である。

更に、近年、半導体素子の高速化、高密度化、大型化の
動向がみられ、それに伴い半導体素子の発熱量の増大が
大きな問題となっている。そこで、半導体装置用基板に
ついても、放熱性の改良、即ち基板全体としての板厚方
向の熱伝導性のより一層の改良が要求されている。その
ために、半導体装置用基板については、同時に高い電気
絶縁性と、高い放熱性とを有することが要求されること
になる。

しかるに、従来使用されていた半導体装置用基板は、い
ずれも前記２つの特性を同時に満足し得るものではなか
った。例えば、安定な電気絶縁性を有するという理由か
ら、＾１２０３．２μｇｏ・３１０２等の焼結セラミッ
クが広く利用されているが、このようなセラミックは絶
縁性においては満足できるものの、熱伝導性に劣り、放
熱性の要求を満足するものではなかった。また、一部に
おいては、ＷＳＭｏ、　Ｃｏ等の高熱伝導性金属材料が
半導体装置用基板として使用されている。しかしながら
、これら金属材料は本来導電性材料であるために、電気
絶縁性において問題であり、半導体装置の設計使用上、
大きな制約を受ける。更に、電気絶縁性とある程度の放
熱性とを併せ持つことから、一部においてＢｅＯの使用
が試みられていたが、高価でありかつ毒性を有すること
から、広（利用されるには至っていない。

以上の欠点を解消するために、熱伝導性良好な金属板と
、ガラスやセラミックなどの電気絶縁性良好な無機物質
とを組合せた複合材を利用する試みもなされている。し
かしながら、これらを以下に示すような一般的な方法で
複合化した場合には、目的とする、充分に高い電気絶縁
性と放熱性とを併せもつ基板を得ることは極めて困難で
あると思われる。

即ち、例えば、上記一般的方法の１つとして、スクリー
ン印刷法により金属板をガラスで被覆することが考えら
れる。しかし、このスクリーン印刷法でピンホールのな
い充分な電気絶縁性を有するガラス層を形成するために
は、該ガラス層の厚さを１５μｍ以上で形成する必要が
あり、このような厚さは複合化基板の放熱性を著しく損
うことになる。

また、ロー付けにより複合化する場合には、予めセラミ
ック薄板を作製する必要があるが、セラミック板を２０
μｍ以下の厚さで作製することは、現状では技術的に不
可能であり、やはり高い放熱性を付与することはできな
い。逆に、ロー付は層にブローホールが形成される恐れ
があり、そのために熱伝導性は更に低下される可能性が
ある。

更に、プラズマ溶射法で金属板に無機物質を被覆する場
合にも、高い放熱性を有する基板を得ることは難しい。

即ち、この方法によって形成される被覆層は表面粗さの
度合が大きく、また、該層自体が多孔質であるので、充
分な電気絶縁性を確保するためには被覆層の厚さを３０
μｍ以上とする必要があり、この要求を満たそうとすれ
ば放熱性が犠牲にされることになり、逆に、放熱性を維
持しようとすれば、絶縁性が不十分となる。

また、金属板の表面を酸化処理することにより、酸化物
からなる電気絶縁層を形成する試みもなされているが、
この種の金属板として一般に用いられている（：ｕＳＮ
ｉ、　Ｆｅ５Ａ１等の酸化物層は、電気絶縁性に劣るた
め、好ましくない。というのは、前記金属の中で、Ｃｕ
５ＮｉＳＦｅの場合には、これら酸化物自体の電気絶縁
性が劣ることによるものであり、またＡＩの場合にあっ
ては、一定の放熱性を確保するために、アルマイト層の
厚さを１０μｍ以下に抑える必要があるが、アルマイト
層が多孔質であるために、１０μｍ以下の厚さでは充分
な電気絶縁性を維持できないためである。

このような状況の下で、熱伝導性良好な金属板の表面に
、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）または化学的蒸着法（ＣＶ
Ｄ法）によって電気絶縁性無機物質の薄層を形成するこ
とが提案されている。この気相法により形成される薄層
は、（ａ）緻密であり、そのため薄（でも電気絶縁性を
維持する、および（ハ）金属板と被覆層としての無機物
質とを任意に選択し、組合せることができる、などの特
徴を有しており、金属板としてＮｉ、　Ｃｕ、　ＡＩ、
各種高熱伝導性Ｃｕ合金、Ｃｕクラッドステンレス、銅
クラツドコバール、ＭｏもしくはＷを主体とする焼結体
などを、また熱伝導性のよい無機物質としてＢＮＳＡ］
、０３、ＡＩＮ、５ｉＣＳＳｉ３Ｎｎ、Ｙ２Ｏ３，２Ｍ
ｇｏ−８ｉＯ２、ダイヤモンドなどを使用した例が多数
報告されている。

このような気相蒸着法により、半導体装置用基板として
放熱性並びに電気絶縁性両者を併せ備えた優れた製品を
作製できるに至ったが、このものも、ＩＣ実装後の長寿
命試験の結果、以下のような改善すべき問題を内包して
いることがわかった。

すなわち、ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって形成された絶縁
性被覆層は、緻密な層のため、−１０℃〜＋４０℃温度
領域の大気中の空気や被覆層上に形成された金属イオン
によって、電気的絶縁性を低下させることはないが、８
５℃、９５％相対湿度の雰囲気中に１０００〜２０００
時間放置して測定すると、水分右よびイオン化した導電
性材料イオンにより絶縁不良が発生することがわかった
。

この原因としては、気相蒸着により得られた被覆層は下
地金属基板表面の凸凹により、一部族厚が不均一となり
薄い部分を介して水分や導電性イオンが侵入したり、ま
た、気相蒸着層がある結晶方位性を持って成長するため
、その結晶粒にそって、部分や導電性イオンが侵入した
りするためと考えられる。

発明が解決しようとする問題点 以上詳しく述べたように、半導体装置の設計・製作にお
いては、その高速化、高密度化等の指向がみられ、それ
に伴って発熱量の増大の問題が新たに出現したが、これ
は素子の高速化、高密度化と平行して解決すべき重要な
課題である。そこで、特に半導体装置用基板については
、高い電気絶縁性と高い放熱性とを併せ持つことが要求
されるようになってきた。しかしながら、従来公知のも
のはいずれもこれら２つの要求を同時に満足するもので
はなく、また、各種改善策も試みられたが、一方の特性
を改善しようとすれば他方の特性が阻害されることとな
るなど、いままでのところ前記要求に合致する特性の半
導体装置用基板は知られていない。

そこで、気相蒸着法により絶縁性無機材料層を金属基板
上に形成して上記両物性を併せ持つ基板を得ることも提
案されているが、このものも寿命テストにおいて、高湿
度環境では絶縁性が劣化することが見出され、実用上の
信頼性を達成するには至っていない。

このような要求を満たす基板を開発することは、高速化
、高密度化の図られた半導体素子の安定性並びに信頼性
を保証する上で極めて重要であり、また、実際にもこの
ような基板の開発に対する大きな要望がある。

そこで、本発明は、半導体素子の発する熱を効率よく放
出し得、しかも高湿度環境でも電気絶縁性に優れた半導
体装置搭載用基板の新規製造法を提供せんとするもので
ある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は半導体装置搭載用基板の上記のような現状
に鑑みて、目的とする基板を開発すべく種々検討、研究
した結果、基板に電気絶縁性並びに放熱性を付与するた
めに熱伝導性の高い無機絶縁物質を気相法で形成するこ
とが有利であることに着目し、また蒸着層自体の厚さム
ラと結晶方向性とによる高湿度環境での絶縁劣化の問題
を解決するために、蒸着層表面を保護層で覆うことが有
効であることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明による半導体装置用基板は、熱伝導性
のよい金属基板と、該金属基板上に気相法によって形成
された電気絶縁性の無機材料層と、該無機材料層上に塗
布された薄い絶縁性樹脂層とを有することを特徴とする
。

上記した本発明による半導体装置用基板において、前記
気相法は、電子ビーム蒸着、イオンプレーテングなどの
ＰＶＤ法でも、プラズマＣＶＤ。

光ＣＶ　Ｄ　ＳＭ　Ｏ（Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ）
　ＣＶ　ＤなどのＣＶＤ法でもよい。

また、前記金属基板は、単体金属または複合金属焼結体
で形成される。具体的に述べるならば、前記金属基板の
材料としては、Ｎｉ、　Ｃｕ、　Ａｌ５Ｓｉ。

高熱伝導型Ｃｕ合金、銅クラッドステンレス鋼、銅クラ
ツドコバール、及び〔５〜２０％Ｃｕ−Ｍｏ）や〔５〜
２０％Ｃｕ−Ｗ）などのＭｏもしくはＷを主体とする焼
結体などを挙げることができる。

更に、前記無機材料層の材料としては、Ａｌ２Ｏ３、八
ＩＮ、ＳｉＣ，ＢＮＳ　５ｔｓＮ＊、　Ｙ２Ｏ，、２Ｍ
ｇ０　　・Ｓｉｎ、　、ダイヤモンドなどを挙げること
ができ、そして、前記絶縁性樹脂層の材料としては、シ
リコン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、及
び熱伝導を高めるためにＢＮ、ＳｉＣ，ＡＩＮ、及びダ
イヤモンドなどの高熱伝導性無機材料の微粒子（〜数μ
ｍ）を含むそれら樹脂などを挙げることができる。

一作月 以上ような本発明による半導体装置用基板においては、
金属基板の表面に気相法によって形成された電気絶縁性
の無機材料層上に薄い絶縁性樹脂層を塗布している。そ
の塗布された薄い絶縁性樹脂層は、無機材料層を覆うこ
とにより、その無機材料層の凸凹の凹部を充填して絶縁
層の厚さムラを少なすると共に、無機材料層の薄い部分
を介しての水分や導電性イオンの侵入や、気相成長され
た無機材料層の結晶粒にそっての水分や導電性イオンの
侵入に対する阻止層として機能する。その結果、半導体
装置用基板が高湿度環境に置かれても、絶縁性の劣化は
防止できる。

ここで、無機材料層の膜厚は１〜１５μｍの範囲、好ま
しくは、５〜１０μｍの範囲内にする。すなわち、無機
材料層の厚みが１５μｍを越えると剥がれやすくなり、
一方、１μｍ以下では表面凸凹部で無機材料層のない部
分も発生し、絶縁が得にくくなる。

また、絶縁性樹脂層は、厚さ１μｍ以下、とりわけ０．
２μ以下が望ましい。絶縁性樹脂層の厚さが１μｍ以上
になると、かえって熱伝導を阻害する。なお、絶縁性樹
脂層に添加される高熱伝導性無機材料の微粒子が数μｍ
以上となると、無機材料層の表面凸凹の凹部に入ること
ができず、また、絶縁性樹脂が充填されるのを妨げるよ
うになる。

また、金属基板の耐食性を確保する目的で、下地処理前
に金属基板全面にＮｉ、　Ａｕ等のメッキを施すことも
有利であり、これによって金属基板と無機材料層との密
着性は何等阻害されることはない。

このメッキ層の形成は公知の各種方法により実施するこ
とができ、特に制限されず、例えば蒸着法、浸漬法等を
挙げることができる。

実施例 以下、添付図面を参照して本発明による実施例を説明す
る。

実施例１から３ 第１図に示す金属基板１として、Ｃｕ粉とＭｏ粉との混
合物の焼結体（５〜２０％Ｃｕ−Ｍｏ）を用意した。

その金属基板１をメタクレン、トリクレンなどの有機溶
剤で表面洗浄し、次いで、蒸着物質としてＡｌ２Ｏ３を
用い、電子ビーム加熱により蒸着させた。蒸着は、酸素
圧５　Ｘｌ０−’ｔｏｒｒで、高周波電力１００　Ｗ　
（、１３，５６Ｍ１ｌＺ　’）を印加して蒸着物質の一
部をイオン化させる一方、金属基板１を温度２００〜４
００℃にして、蒸着速度０．１μｍ／分で行い、それぞ
れ約５．１０．１５μｍの厚さのアルミナＡｌ２Ｏ３の
絶縁性無機材料層２を形成した。

その後、アルミナの無機材料層２表面にエポキシ系樹脂
の絶縁性樹脂層３をスクリーン印刷法で２０μｍ塗布し
たのち、バフ研暦にて、第２図に示すように、表面凹部
のみにエポキシ樹脂を塗り込んだ。そのような絶縁性樹
脂層３の平均厚さは約０．５μｍであった。

以上のような実施例１〜３の半導体装置用基板をそれぞ
れ１００個作成し、一方、絶縁性樹脂層３を有しないこ
と以外同様な半導体装置用基板をそれぞれ１００個作成
し、ヒートサイクルテスト（−６５℃＝＋１２５℃）３
００回を行ったのちに絶縁抵抗を測定した。従来のアル
ミナ蒸着のみのものは、１５〜２０％、１０６Ωｃｍ以
下の測定値が得られたが、実施例１〜３では１％にとど
まった。

発明の効果 以上の説明からあきらかなように、本発明による半導体
装置用基板は、金属基板に無機材料層を気相法により形
成した従来の半導体装置用基板と同様な電気絶縁性と放
熱性を有し、且つ従来の半導体装置用基板と比較して優
れた耐湿度特性を有し、高湿度環境においてもその絶縁
特性の劣化はほとんどみられない。

従って、本発明による半導体装置用基板は、集積回路パ
ッケージ材料、ハイブリッドＩＣ基板、マザーボード基
板として広く使用できるものであり、それにより、半導
体装置の信頼性などを大幅に改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による半導体装置用基板の概略断面図
である。 第２図は、第１図の点線円で囲んだ部分の拡大図である
。 〔主な参照番号〕 １・・金属基板、 ２・・絶縁性無機材料層、 ３・・絶縁性樹脂層

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱伝導性のよい金属基板と、該金属基板上に気相
   法によって形成された電気絶縁性の無機材料層と、該無
   機材料層上に塗布された薄い絶縁性樹脂層とを有するこ
   とを特徴とする半導体装置用基板。
2. （２）前記気相法は、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法であること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の半導体装
   置用基板。
3. （３）前記金属基板は、単体金属または複合金属焼結体
   で形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項または第（２）項記載の半導体装置用基板。
4. （４）前記金属基板は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｉ、高熱
   伝導型Ｃｕ合金、銅クラッドステンレス鋼、銅クラッド
   コバール、及びＭｏもしくはＷを主体とする焼結体から
   なる群から選られる１つで形成されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の
   半導体装置用基板。
5. （５）前記無機材料層が、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＡｌＮ、Ｓ
   ｉＣ、ＢＮ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、Ｙ＿２Ｏ＿３、２ＭｇＯ
   ・ＳｉＯ＿２、ダイヤモンドからなる群から選られる１
   つで形成されており、その膜厚は１〜１５μｍの範囲内
   にあり、前記絶縁性樹脂層は、厚さ１μｍ以下であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項から第（４）
   項までのいずれかに記載の半導体装置用基板。
6. （６）前記絶縁性樹脂層は、シリコン系樹脂、エポキシ
   系樹脂、ポリイミド系樹脂、及び高熱伝導性無機材料微
   粒子を含むそれら樹脂からなる群から選られる１つで形
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項から第（５）項までのいずれかに記載の半導体装置用
   基板。
7. （７）前記高熱伝導性無機材料微粒子は、ＢＮ、ＳｉＣ
   、ＡｌＮ、及びダイヤモンドからなる群から選られる１
   つで形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   （６）項記載の半導体装置用基板。